Лабораторное исследование взаимодействия ветра и волн в штормовых условиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.29, кандидат наук Кандауров, Александр Андреевич

• Кандауров, Александр Андреевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Кандауров, Александр Андреевич

Оглавление

Введение

Глава 1. Исследования турбулентного переноса в приводном пограничном слое атмосферы при сильном и ураганном ветре (Литературный обзор)

1.1 Введение

1.2 Классификация условий, при которых наблюдается штормовой ветер

1.2.1 Шкалы тропических циклонов

1.2.2 Тропические циклоны

1.2.3 Внетропические проникновения

1.2.4 Квазитропические циклоны умеренных широт (медиканы)

1.2.5 Сильный ветер в высоких широтах

1.3 Основные определения в теории турбулентного переноса в приземном пограничном слое над водной поверхностью

1.4 Зависимость коэффициента сопротивления от скорости ветра при слабых, умеренных и сильных ветрах

1.5 Особенности аэродинамического сопротивления поверхности моря при ураганном ветре

1.5.1 Модель тропического урагана как тепловой машины

1.5.2 Экспериментальные данные об аэродинамическом сопротивлении поверхности океана при ураганном ветре

1.6 Возможные механизмы снижения аэродинамического сопротивления поверхности моря при экстремальных ветрах

1.7 Исследование особенностей ветрового потока над взволнованной водной поверхностью в лабораторных условиях

1.8 Метод цифровой оптической анемометрии (PIV) при лабораторном моделировании ветро-волнового взаимодействия

1.9 Заключение

Глава 2. Исследование ветро-волнового взаимодействия при ураганных условиях контактными методами в лабораторных условиях

2.1 Введение. О возможности моделировать условия ураганного ветра над морем в лабораторных условиях

2.2 Описание экспериментальной установки

2.3 Исследование параметров ветрового потока

2.3.1 Термоанемометр

2.3.2 Трубки Пито

2.3.3 Особенности метода профилирования при измерении коэффициента сопротивления в аэродинамических каналах

2.4 Исследование характеристик поверхностных волн

2.4.1 Струнные волнографы

2.4.2 Методика обработки данных с волнографов: Fourier Directional Method

2.5 Теоретическая модель аэродинамического сопротивления поверхности воды

2.6 Заключение

Глава 3. Использование лазерно-оптических методов для исследования геофизических

течений

3.1 Введение

3.2 Оптические методы определения поверхности раздела воды и воздуха

3.3 Исследование поля возвышения поверхности воды лазерно-оптическим методом

3.3.1 Описание аппаратной части системы и особенностей получения видеоизображений поверхностных волн

3.3.2 Описание алгоритмов обработки видеоизображений волн, поиска границы поверхности

3.3.3 Результаты измерений формы поверхности воды лазерно-оптическим методом

3.4 Исследование всплывающих в стратифицированной жидкости струй лазерно-оптическими методами

3.4.1 Постановка задачи

3.4.2 Использование метода Particle Image Velocimetry при исследовании всплывающих струй

3.4.3 Исследование полей скорости

3.4.4 Эксперименты в малом бассейне с солевой стратификацией

3.4.5 Моделирование всплывающих струй в большом термостратифицированном бассейне

3.5 Заключение

Глава 4. Исследование ветро-волнового взаимодействия при ураганных условиях бесконтактными методами

4.1 Введение

4.2 Экспериментальная установка и техника эксперимента

4.3 Обработка экспериментальных данных

4.3.1 Определения формы границы раздела вода-воздух

4.3.2 Определение скорости воздушного потока методом PIV

4.3.3 Нахождение средних полей скорости

4.4 Результаты

4.4.1 Средние поля скорости

4.4.2 Профили средней скорости ветра

4.4.3 Нахождение коэффициента аэродинамического сопротивления, сравнение с имеющимися данными

4.5 Заключение

Заключение

Список литературы

Список публикаций автора по теме диссертации

140

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Лабораторное исследование взаимодействия ветра и волн в штормовых условиях»

Введение

Взаимодействие ветра и поверхностного волнения является важнейшим фактором, определяющим обмен импульсом, теплом, влагой и энергией между атмосферой и океаном. Наибольший интерес в последнее время вызывает изучение особенностей такого обмена при сильном и ураганном ветре. Это обусловлено, прежде всего, практической важностью этой проблемы, поскольку турбулентные потоки на границе океан-атмосфера в значительной степени определяют развитие штормов, формирующихся над океаном, и от корректности их моделирования зависит точность прогноза их развития. Негативное воздействие от таких штормов, формирующихся над океаном, испытывает более половины населения Земли, около 3,2 миллиарда человек, живущих в 200-километровой (120 мильной) прибрежной полосе [1]. Самыми опасными морскими погодными системами являются тропические циклоны, в которых скорость ветра может превышать 70 м/с (пятая категория по классификации Саффира-Симпсона [2]). Среднегодовое число тропических циклонов на планете за последние 50 лет практические не меняется и составляет 83,2. Этот баланс достигается за счет того, что с 90-х годов 20 века возрастает число тропических циклонов в северной части Атлантического океана, и снижается число тайфунов в Тихом океане [3].

Тропические циклоны возникают и развиваются над океанами главным образом в тропической зоне, между 5 и 20 градусами широты, и их действие проявляется преимущественно в тропической зоне. Они, однако, могут оказывать значительное влияние на погоду умеренных и субтропических зон вследствие внетропического проникновения тропических циклонов. Наиболее разрушительным за последнее время ураганом такого типа стал супер-шторм «Sandy», обрушившийся на восточное побережье США в конце октября 2012 г. и приведший к гибели около 200 человек и ущербу более 80 млрд долларов [4]. С внетропическим проникновением тропических циклонов связаны сильные шторма в Дальневосточных морях России [5].

Интенсивные, быстро развивающиеся атмосферные вихри, сходные с тропическими циклонами по механизмам формирования и некоторым морфологическим признакам (теплое ядро, глубокая конвекция), называемые полярными ураганами, наблюдаются в высоких широтах. Они часто наблюдаются при холодных вторжениях в западном секторе Арктики и на Дальнем Востоке. Скорость ветра в полярных ураганах достигает 35-40 м/с, представляя угрозу для судоходства и нефтедобычи на шельфе [6]. Так называемые «квазитропические» циклоны могут наблюдаться и в умеренных широтах. К ним относятся «медиканы», которые наблюдаются в Средиземном море при

состояниях атмосферы и океана, благоприятствующих глубокой конвекции [7]. Подобные «квазитропические» циклоны наблюдаются и в Черном море [8]. Скорость ветра при этом может превышать 30 м/с, соответствуя в шкале Саффира-Симпсона тропическому шторму и переходу к урагану категории 1.

Для Европейского континента, и в том числе, для России значительную угрозу представляют активные глубокие циклоны, которые особенно часто формируются в северо-восточной Атлантике в положительной фазе Северо-Атлантического колебания [9]. Для них также характерны условия штормового и ураганного ветра: например, скорость ветра в урагане «Святой Иуда» в октябре 2013 года доходила до 53 м/с [10], что соответствует урагану категории 3 по шкале ураганов Саффира-Симпсона.

Высокие значения скорости ветра и связанные с ними ветровые нагрузки представляют собой основной фактор наиболее разрушительных природных явлений: бурь, ураганов, смерчей, шквалов, штормов и тайфунов. С этим связаны высокие требования к качеству моделирования штормовой погоды. В прибрежной зоне штормовой ветер вызывает чрезвычайно опасное явление штормового нагона, которое считается одним из наиболее разрушительных природных явлений, часто они приводят к человеческим жертвам и вызывают многомиллионные убытки. Так, тропический циклон Наргис в 2008 унес более 100 тысяч жизней в Мьянме [11], тропический ураган Катрина 2005 г. и шторм «Сенди» 2012 г. вызвали экономический ущерб в 80 млрд. долларов каждый [4, 12]. Штормовые нагоны представляют большую опасность для Нидерландов, Великобритании, низменных областей Германии. В России штормовой нагон типичен для Невской губы, что вызывает регулярные наводнения в Санкт-Петербурге [13].

В открытом море наибольшую опасность представляет интенсивное волнение, вызываемое штормами. Причем опасность представляет волнение не только в зоне, подверженной действию сильного ветра - на большом удалении от области шторма возможно появление аномально высоких волн. По данным Регистра Ллойда (Lloyd's Register) за последние 25 лет количество происшествий с судами и платформами в Мировом океане, связанных с неблагоприятными природными условиями (прежде всего с экстремальным волнением), росло. При этом доля инцидентов, непосредственной причиной которых являлись неблагоприятные погодные условия, возросла с 23 до 47% при росте доли ущерба от 19 до 59%.

В связи с этим разработка и повышение точности моделей прогнозирования штормовой погоды над морем являются одной из первоочередных задач, решаемых современной метеорологией. Характеристики взаимодействия атмосферы и океана являются важной составной частью таких моделей, определяющих граничные условия на

поверхности океана. Современные исследования показывают, что взаимодействие атмосферы и океана при сильном ветре носит аномальный характер. В последнее время широкую известность получило явление аномально низкого аэродинамического сопротивления поверхности воды при ураганном ветре. Оно было предсказано теоретически в работе [14], где было показано, что при интерполяции зависимости коэффициента сопротивления от скорости ветра, измеренного при умеренных ветрах, на случай ураганных ветров, максимальные скорости ветра в ураганах не могли бы превышать ЗО^Ю м/с при тех источниках энергии, которые возможны в тропических океане и атмосфере. Это противоречит наблюдениям, показывающим, что скорость ветра в реальных ураганах может превышать 60м/с. На основании этого несоответствия в [14] был сделан вывод об изменении характера зависимости коэффициента сопротивления морской поверхности от скорости ветра при ураганных ветрах. Впоследствии аномальный характер аэродинамического сопротивления поверхности океана от скорости ветра был обнаружен в натурных измерениях [15, 16] и подтвержден в лабораторных условиях [17]. Был предложен ряд теоретических объяснений наблюдаемого явления [18-24], но недостаток экспериментальных данных не позволяет пока однозначно их подтвердить и построить на их основе модель, которая может быть использована в моделях прогноза штормов и ураганов. Натурные измерения во время погодных явлений с ураганными скоростями ветра трудны, опасны и дороги. Кроме того, натурные условия, как правило, характеризуются плохой повторяемостью, когда трудно выделить исследуемые эффекты. В связи с этим разработка методов моделирования приводного пограничного слоя атмосферы при ураганном ветре в хорошо контролируемых лабораторных условиях является важной задачей физики атмосферы и гидросферы.

Значительные принципиальные проблемы при лабораторном моделировании приводного слоя атмосферы связаны с ограниченностью размеров каналов как по высоте, так и по сечению. Для каналов конечной длины и сечения характерно развитие турбулентного пограничного слоя, в котором слой постоянного с турбулентным напряжением занимает приблизительно 15% высоты пограничного слоя. Только в слое постоянных потоков профиль скорости потока логарифмический и может быть использован для непосредственного вычисления коэффициента сопротивления поверхности методом профилирования. Обычно в аэродинамических трубах и ветровых каналах толщина слоя постоянных потоков составляет единицы сантиметров. Измерение профилей скорости ветра на таких малых расстояниях от взволнованной поверхности воды при сильных ветрах является сложной задачей. Прежде всего, это связано с присутствием брызг в пограничном слое, нарушающих работы датчиков [25]. Один из

возможных способов решения этой проблемы связан с увеличением размеров установок, таких как канал LASIF в университете Марселя, имеющий длину более 40 м и сечение 3x1,5 м. Тогда можно непосредственно применять классический метод профилирования при измерении коэффициента сопротивления поверхности, основанный на сохранении в стационарном пристеночном пограничном слое тангенциальных турбулентных напряжений. Однако в этом случае создание высокоскоростных воздушных потоков требует больших затрат энергии. В связи с этим необходимо разработать метод восстановления параметров турбулентного пограничного слоя из измерений, проводимых достаточно далеко от поверхности.

Несмотря на вышеописанную возможность опосредованно найти характеристики в слое постоянных потоков без измерений скорости вблизи поверхности, при исследовании механизма аэродинамической шероховатости и, в частности, таких ее особенностей, как аномально низкое аэродинамическое сопротивление при высоких скоростях ветра, особый интерес представляет часть пограничного слоя атмосферы, непосредственно прилегающая к поверхности воды. Например, ниже гребней поверхностных волн можно ожидать появления наиболее интересных особенностей этого потока, таких как экранирование и отрыв потока [26]. Техника цифровой оптической анемометрии (Particle Image Velocimetry - PIV) наилучшим образом приспособлена для измерения воздушного потока во впадинах волн. В работах [27-30] представлен опыт применения техники PIV для измерения скорости воздушного потока над взволнованной поверхностью. В работе [29] удалось исследовать структуру средних полей скорости в воздушном потоке и их возмущений, индуцированных волнами, а также структуру турбулентных напряжений. Однако эти измерения были проведены при малых скоростях ветра.

Важная задача, которая возникает при проведении исследований приводного атмосферного пограничного слоя вблизи поверхности воды, связана с необходимостью точного определения положения границы раздела воды и воздуха. Она может быть решена с помощью предложенной в этой работе и реализованной в рамках лабораторного эксперимента по моделированию ветро-волнового взаимодействия методики определения формы взволнованной водной поверхности, которая основана на использовании лазерной подсветки и высокоскоростной съемки поверхности. Одновременное применение этой методики и использование контактных методов (струнных волнографов), позволяет одновременно с измерением полей скорости ветра техникой PIV получать форму поверхности воды, в том числе в условиях ураганных ветров.

Ввиду того, что применение техники PIV для исследования приводного ветрового потока связано со значительными трудностями, отработка методов проводилась в более

простых условиях: в большом бассейне с искусственной температурной стратификацией ИПФ РАН и в малом бассейне с солевой стратификацией был проведен цикл экспериментов, посвященных исследованию возможности генерации внутренних волн в стратифицированной жидкости турбулентной струей. В ходе этих экспериментов отрабатывалась методика лазерно-оптического измерения характеристик турбулентных геофизических течений.

Цели диссертационной работы

Основная цель проведенных исследований - разработка методов лабораторного исследования ветро-волнового взаимодействия и техники прецизионного измерения параметров воздушного потока в приводном слое атмосферы вблизи взволнованной поверхности воды, пригодных для использования в условиях сильного и ураганного ветра, а также применение разработанных методов для исследования особенностей турбулентного переноса импульса в приводном пограничном слое атмосферы при ураганном ветре.

В частности предполагается

1. Разработать методику определения параметров воздушного турбулентного пограничного слоя и поверхностного волнения, применимую для использования в лабораторных условиях, включая:

1.1. методику определения параметров воздушного турбулентного пограничного слоя в развивающемся турбулентном пограничном слое, типичном для лабораторных условий;

1.2. модификацию метода Р1У, адаптированную для проведения измерений скорости воздушного потока в условиях сильного и ураганного ветра;

1.3. методику бесконтактного исследования поверхности, которая позволила бы производить измерения формы поверхности воды одновременно с бесконтактным измерением скорости ветра в приповерхностном пограничном слое.

2. С использованием контактных методов измерения характеристик ветрового потока и поверхности воды исследовать зависимости коэффициента сопротивления от скорости ветра, в том числе в области ураганных ветров и выяснить связь этой зависимости с характеристиками поверхности.

3. Провести бесконтактные измерения полей скорости ветра над водной поверхностью, включая области во впадинах поверхностных волн, в том числе, при сильных и ураганных ветрах.

Научная новизна результатов работы

Научная новизна диссертационной работы определяется новыми методами исследования и полученными оригинальными результатами. В работе впервые:

1) выявлена автомодельная зависимость дефекта скорости воздушного потока от высоты в развивающемся турбулентном течении в канале над водной поверхностью, на основе которой разработана и применена методика определения параметров воздушного турбулентного пограничного слоя (скорости трения и высоты шероховатости);

2) на основе одновременных измерений параметров приводного ветрового потока и характеристик водной поверхности показано, что тенденция к насыщению коэффициента сопротивления поверхности воды при ураганном ветре объясняется механическим ограничением крутизны поверхностных волн за счет ветровой нагрузки;

3) разработана техника исследования формы поверхности воды, основанная на комбинировании контактных (струнные волнографы) и бесконтактных (высокоскоростная съемка с подсветкой лазерным ножом) методов, позволяющая восстанавливать форму поверхности воды в широком диапазоне ветровых условий, включая экстремальные;

4) с использованием модифицированной техники лазерно-оптической анемометрии (Р1У) впервые получены поля скорости ветра, осредненные по турбулентным флуктуациям, в приводном пограничном слое при ураганных условиях.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления поверхности воды от скорости ветра в лабораторных условиях демонстрирует тенденцию к насыщению при скоростях ветра, превышающих 25 м/с.

2. Характер зависимости коэффициента сопротивления от скорости ветра связан с изменением сопротивления формы поверхности воды; наблюдаемая тенденция к насыщению среднеквадратичного уклона поверхности воды в условиях сильного ветра приводит к насыщению аэродинамической шероховатости водной поверхности.

3. В развивающемся турбулентном пограничном слое в канале профиль дефекта скорости воздушного потока над волнами является автомодельным. С использованием свойства автомодельности параметры турбулентного пограничного слоя (скорость трения и высота шероховатости) могут быть определены из измерений в «следной» части турбулентного пограничного слоя.

4. Для случая сильных и ураганных ветров существует линейная связь между коэффициентом сопротивления водной поверхности и среднеквадратичным уклоном волн.

5. Зависимость коэффициента сопротивления от скорости ветра, полученная контактными методами, подтверждена в результате бесконтактного лазерно-оптического измерения профилей скорости приводного турбулентного пограничного слоя вблизи поверхности, в том числе во впадинах волн.

Достоверность полученных результатов.

Все полученные результаты обладают высокой степенью достоверности и являются обоснованными. Подтверждением этого служит хорошее качественное и количественное совпадение результатов, полученных экспериментально контактными и бесконтактными методами, а также с использованием квази-линейной модели ветро-волнового взаимодействия. Физическая трактовка полученных результатов, находится в согласии с общепризнанными представлениями. Основные положения диссертации опубликованы в ведущих зарубежных журналах и монографиях, докладывались на международных и всероссийских конференциях и неоднократно обсуждались на семинарах в ИПФ РАН.

Научная и практическая значимость результатов работы.

Полученные в работе результаты могут применяться для изучения природных процессов и интерпретации результатов натурных и лабораторных экспериментов по исследованию взаимодействия ветра с волнами на воде. Показанное влияние выглаживания поверхности воды на поведение коэффициента сопротивления при ураганных ветрах позволит более точно моделировать процессы ветро-волнового взаимодействия. Полученные в работе параметрические зависимости коэффициента сопротивления морской поверхности от скорости ветра могут быть использованы в моделях численного прогноза погоды, а также в моделях прогноза штормовых нагонов. Разработанная методика бесконтактного исследования полей скорости ветра в приводном пограничном слое с учетов формы поверхности воды, применимая, в том числе, при экстремальных условиях, позволит проводить детальные исследования характеристик ветро-волнового взаимодействия в широком спектре условий. Разработанные методы бесконтактных измерений, основанных на визуализации, могут быть использованы при моделировании природных и технических гидрофизических систем широкого класса.

Публикации и вклад автора.

Результаты диссертации изложены в 31 работе автора, из которых 4 - статьи, опубликованные в реферируемых журналах, входящих в перечень ВАК, 2 — статьи в

коллективных монографиях и 25 - тезисы докладов на российских и международных конференциях.

Автор диссертации принимал непосредственное участие в планировании и постановке экспериментов, описанных в работе, а также в обработке полученных экспериментальных данных с использованием как разработанных автором, так и сторонних программных решений: автор написал основную часть программного обеспечения, использованного в работе, в том числе программы для получения пространственных спектров по данным волнографов, программы для исследования профилей скорости, получаемых как контактными, так и бесконтактными методами; поиска поверхности воды и границы струи на PIV-изображениях; непосредственно вычисления полей скоростей по парам PIV-изображений; исследования получаемых полей скорости.

Апробация работы.

Диссертация выполнена в Институте прикладной физики РАН. Результаты диссертации были использованы в рамках инициативных совместных исследованиях с ЗАО НПО Гранит-47 (Санкт-Петербург) и Средиземноморским институтом океанографии (Марсель, Франция).

Также результаты диссертации были использованы в ходе исследовательских работ в рамках грантов РФФИ (инициативные, региональные, ориентированные на фундаментальные исследования - офим, международные), проектов в рамках Федеральных целевых программ минобрнауки («Кадры» «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России», «Мировой океан»), программы «Умник», проекта CRDF (RUP1-31020-N009),, гранта Правительства Российской Федерации, выделенного на конкурсной основе для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования (11.G34.31.0048).

Результаты, полученные в ходе выполнения работы, вошли в Отчеты РАН за 2011, 2012 и 2013 гг.

Основные результаты и положения работы доложены:

• на международных конференциях: EGU General Assembly, 2010, 2011, 2013 и 2014 гг., EMS Annual Metting, 2012, 2013 гг., 5th European Postgraduate Fluid Dynamics Conference, 2012 г., Международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков XI» 2011 г., Международная школа молодых ученых

«ВОЛНЫ И ВИХРИ В СЛОЖНЫХ СРЕДАХ», 2013 г., Международной научной школы молодых ученых и специалистов «Механика неоднородных жидкостей в полях внешних сил. Вихри и волны», 2011 г., V International Conference Frontiers in Nonlinear Physics, 2013 г., Международный семинар «Проблемы взаимодействия атмосферы и гидросферы», 2011., Симпозиум IUTAM 12-3; 2012 г.

• на российских конференциях: Форум молодых учёных ННГУ. Нижний Новгород: 2013, Конференция молодых ученых «Нелинейные волновые процессы» (XV научная школа «Нелинейные волны-2010»), XVI Нижегородской сессии молодых ученых (секции «Технические науки» и «Естественные науки»), Первая Всероссийская конференция по прикладной океанографии. 24-27 октября 2010. Москва.

• на семинарах ИПФ РАН.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 154 страницы, включая 53 рисунка. Список литературы содержит 152 наименования, включая работы автора.

Краткое содержание работы.

Во Ведении обосновывается актуальность работы, формулируются её цели, кратко излагается содержание диссертации.

Глава 1 диссертации является обзорной. В ней даны основные определения в теории турбулентного переноса в приземном пограничном слое над водной поверхностью, описаны методы и инструменты, которые используются для лабораторных и натурных экспериментов, представлены основные результаты исследований турбулентного переноса импульса в пограничном слое атмосферы над морем. В разделе 1.2 приводится классификация условий, при которых наблюдается штормовой и ураганный ветер. Рассмотрены шкалы, используемые для оценки скорости ветра и потенциального ущерба от ураганов. Приведены описания погодных явлений, для которых характерны штормовые и ураганные ветра. Продемонстрирована опасность подобных явлений и важность их моделирования. В разделе 1.3 приведены основные определения теории турбулентного переноса в приземном пограничном слое над водной поверхностью. Зависимость коэффициента сопротивления поверхности от скорости ветра при умеренных ветрах обсуждается в разделе 1.4. В нем, в частности, показано, что экстраполяция зависимостей, полученных для умеренных ветров, в область ураганных ветров приводит к тому, что диссипация энергии за счет трения оказывается слишком высокой, чтобы при

реалистичных источниках энергии объяснить наблюдаемые скорости ураганных ветров. Проблема объяснения высоких значений скорости ветра в ураганах может быть разрешена, если предположить, что коэффициент сопротивления морской поверхности перестает увеличиваться при ураганных ветрах. И в разделе 1.5 приводятся экспериментальные данные о поведении коэффициента сопротивления при ураганном ветре, полученные в натурных и лабораторных условиях, подтверждающие это предположение. Несколько теоретических моделей, предложенных для объяснения этого эмпирического факта, рассмотрены в разделе 1.6. Несмотря на большое число гипотез, предложенных для объяснения эффекта снижения аэродинамического сопротивления поверхности моря при ураганном ветре, механизм этого явления не выяснен. Причина этого в недостатке данных комплексных экспериментов, в которых вместе со скоростью ураганного ветра измерялись бы параметры волн, брызг и других сопутствующих явлений. Проведение подобных измерений в натурных условиях чрезвычайно затруднено, в связи с этим весьма привлекательно выглядит идея моделирования взаимодействия атмосферы и океана при ураганном ветре в лабораторных условиях. Лабораторные эксперименты, в которых проводилось исследование особенностей ветрового потока над взволнованной водной поверхностью, описываются в разделе 1.7. Развитие лазерных технологий и появление специализированного оборудования для проведения лазерно-оптических измерений обеспечили возможность использования метода цифровой оптической анемометрии (Р1У) для исследования особенностей воздушного потока над волнами. Описание подобных экспериментов и описание самого метода приведено в разделе 1.8. В заключительном разделе 1.9 сделан вывод о направлении необходимых исследований.

Глава 2 посвящена исследованию взаимодействия ветра с волнами при ураганных условиях в лабораторных условиях на Высокоскоростном прямоточном ветро-волновом канале ИПФ РАН (ВСВВК) с помощью контактных методов. В разделе 2.1 обсуждается возможность моделирования условий ураганного ветра над морем в лабораторных условиях. В разделе 2.1 приведено описание устройства и характеристик экспериментальной установки. Описание использованных контактных методов измерения параметров ветрового потока приведено в разделе 2.3. Показано, как параметры слоя постоянных потоков могут быть получены из измерений в «следной» части турбулентного пограничного слоя, на основе автомодельности профиля дефекта скорости в развивающемся пограничном слое. Далее в разделе на основе приближенных уравнений для турбулентного пограничного слоя показывается, что профиль дефекта скорости должен быть автомодельным, причем в силу малости коэффициента сопротивления

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кандауров, Александр Андреевич, 2014 год

Список литературы

1. Hinrichsen, Don. Coastal Waters of the World: Trends, Threats, and Strategies. Washington D.C. Island Press, 1998

2. Holland, G.J., 1993: The Global Guide to Tropical Cyclone Forecasting. World Meteorological Organization, 342 pp.

3. Emanuel, K.A. (1995) Sensitivity of tropical cyclones to surface exchange coefficients and a revised steady-state model incorporating eye dynamics. J. Atmos. Sci, Vol.52, No 22, p.3969-3976.

4. Blake Eric S. ; Todd B. Kimberlain; Robert J. Berg; John P. Cangialosi; John L. Beven II (February 12, 2012). Tropical Cyclone Report: Hurricane Sandy (Report). National Hurricane Center. Retrieved February 14, 2012

5. Полянская E. А. Синоптические процессы Восточной Сибири и Дальнего Востока часть 1, 2011

6. Rasmussen Е., «А Case Study of a Polar Low Development Over the Barents Sea», Tellus V. 37A, P. 407 - 418 (1985).

7. Ernst J. A. and M. Matson, «А Mediterranean Tropical Storm? «, Weather V. 38, P. 332 -337(1983).

8. Efimov V. V., M. V. Shokurov, and D. A. Yarovaya, Numerical Simulation of a Quasi-Tropical Cyclone over the Black Sea, Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics 43 (2007) 723-743

9. Нестеров E.C. Североатлантическое колебание: атмосфера и океан. - М.: Триада, лтд, 2013

10. MetOffice, 'St Jude's Day1 storm - October 2013, http://www.metoffice.gov.uk/about-us/who/hovv/case-studies/st-judes-day-storm-oct-2013, просмотрено 3 Июня 2014 г.

11. Hess Т., Natural catastrophes and man-made disasters in 2008: North America and Asia suffer heavy losses. Swiss Reinsurance Company Ltd. January 21,2009. p. 24.

12. Pielke, Jr. R.A., J. Gratz, C.W. Landsea, D. Collins, M.A. Saunders, R. Musulin: «Normalized Hurricane Damages in the United States: 1900-2005» In Press,, 39p, 2006

13. Нежиховский P.А. Вопросы гидрологии реки Невы и Невской губы. - JL: Гидрометеоиздат, 1988.-224 с.

14. Emanuel, К. (2003) Tropical Cyclones. Ann Rev. Earth Planet. Sci., Vol. 31, p. 75-104.

15. Powell M. D. (2007) Final Report "Drag Coefficient Distribution and Wind Speed Dependence in Tropical Cyclones" Principal Investigator: Mark D Powell NOAA/AOML, 2005-2007

16

17

18.

19,

20,

21,

22,

23,

24.

25.

26.

27.

28.

29.

30.

Jarosz E., Mitchell D. A., Wang D.W., Teague W.J. (2007) Bottom-up determination of air-sea momentum exchange under a major tropical cyclone. Science, v 315, p. 17071709 DOI: 10.1126/science.l 136466.

Donelan M.A., I-Iaus B.K, Reul N., Plant W.J., Stiassnie M., Graber H. C., Brown O. B., Saltzman E. S. On the limiting aerodynamic roughness of the ocean in very strong winds // Geophys. Res. Lett., 2004, v.31, LI 8306.

Andreas E. L. (2004) Spray stress revised. J. Phys. Oceanogr.,, v.34, No 6, p.1429-1440. Andreas, E. L. and K. A. Emanuel, (2001): Effects of sea spray on tropical cyclone intensity. J. Atmos. Sci., Vol. 58, No 24, p. 3741-3751.

Makin, V. K. and Mastenbroek, C.: Impact of waves on air-sea exchange of sensible heat and momentum, Bound.-Lay. Meteorol., 79,279-300, 1996.

Kudryavtsev, V.N. On the effect of sea drops on the atmospheric boundary layer // J. Geophys. Res., 2006, 111, C7, 2156-2202,10.1029/2005JC002970 Kudryavtsev V., Makin V. (2007) Aerodynamic roughness of the sea surface at high winds. Boundary-Layer Meteorol.,, v. 125, p. 289-303.

Kukulka, T., T. Hara, and S. E. Belcher, (2007): A model of the air-sea momentum flux and breaking-wave distribution for strongly forced wind waves. J. Phys. Oceanogr., Vol 37, No 11, p. 1811-1828.

Troitskaya Yu. I., G. V. Rybushkina. (2008) Quasi-linear model of interaction of surface waves with strong and hurricane winds. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics Vol. 44, No 5, p. 621-645

Luers J. K.. Performance of an alpha-vane and pitot tube in simulated heavy rain environment.

Banner, M. L. On the separation of airflow over water waves / M.L. Banner, W.K. Melville // J. Fluid Mech. -1976. -Vol. 77. -P. 825-842.

Reul, N. Air flow separation over unsteady breaking waves / N. Reul, H. Branger, J.-P. Giovanangeli//Phys. Fluids. -1999. -Vol. 11. -P. 1959-1961.

Veron, F. Measurements of the viscous tangential stress in the airflow above wind waves / F. Veron, G. Saxena, S.K. Misra // Geophys. Res. Lett. -2007. -Vol. 34. LI9603. doi: 10.1029/2007GL031242.

Troitskaya, Yu. I., Sergeev, D. A., Ermakova, O. S., and Balandina, G.N. (2011a): Statistical parameters of the air turbulent boundary layer over steep water waves measured by the DPIV technique, J. Phys. Oceanogr., 41, 1421-1454, 2011. Troitskaya Yuliya, Daniil Sergeev, Alexander Kandaurov and Vasilii Kazakov (2011b). Air-sea interaction under hurricane wind conditions in "Recent Hurricane Research -

31

32

33

34

35

36

37

38

39.

40,

41.

42.

43,

44.

45,

46.

Climate, Dynamics, and Societal Impacts" ISBN 978-953-307-238-8 Book edited by: Prof. Anthony Lupo 2011.

Колмогоров A.H. Локальная структура турбулентности в несжимаемой жидкости при очень больших числах Рейнольдса // Докл. АН, СССР. 1941. Вып.30. № 4. С. 299-303.

Колмогоров AJI. Уравнения турбулентного движения несжимаемой жидкости // Изв. АН СССР, сер. Физическая. 1942. Вып. 6. № 1, С. 56 - 58. Монин A.C. Динамическая турбулентность в атмосфере // Изв. АН СССР, сер. геогр. геофиз. 1950. Вып. 14. № 3. С. 232 - 254.

Монин A.C., О турбулентной диффузии в приземном слое воздуха // Изв. АН СССР, сер. геофиз. 1956. № 12. С. 1461 - 1473.

Монин A.C. Атмосферная диффузия // УФН. 1959. Вып. 67. № 1. С. 119 - 130. Монин А. С., Яглом А. М. Статистическая гидромеханика. Часть 1. -М.: Наука, 1965, 345 с.

Монин A.C., Озмидов Р.В. Океанская турбулентность. Л.: Гидрометеоиздат, 1981, 376 с.

Монин A.C., Обухов A.M. Безразмерные характеристики турбулентности в приземном слое атмосферы // Докл. АН СССР. 1953. Вып. 93. № 2. С. 223 - 226. Обухов A.M. О распределении энергии в спектре турбулентного потока // Изв. АН СССР, сер. геогр. геофиз. 1941. Вып. 5. № 4 - 5. С. 453 - 466.

Обухов A.M. О структуре температурного поля и поля скоростей в условиях свободной конвекции // Изв. АН СССР, сер. геофиз. 1960. №9. С. 1392 - 1396. Озмидов, Р.В. О распределении энергии по разномасштабным движениям в океане // Изв. АН СССР. ФАО. 1965. Т. 1. № 4. С. 439 - 448.

Озмидов Р.В. Горизонтальная турбулентность и турбулентный обмен в океане. М.: Наука, 1968,199 с.

Озмидов Р.В. Диффузия примеси в океане.Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 280 с. Зилитинкевич С.С., Чаликов Д.В. Определение универсальных профилей скорости ветра и температуры в приземном слое атмосферы // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1968. Т. 4. №3. с. 294 - 302.

Зилитинкевич С.С. Динамика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 292 с.

Зилитинкевич С.С., Монин АС Турбулентность в динамических моделях атмосферы. - Л.: Наука, 1971. 44 с.

47. Зилитинкевич С.С., Монин А.С., Чаликов Д.В. Взаимодействие океана и атмосферы // Физика океана. Т. 1. Гидрофизика океана. М.: Наука, 1978. С. 208-339.

48. Зилитинкевич С.С. Теоретическая модель для турбулентной проникающей конвекции // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1987. Т. 23. № 6. С. 593 -610.

49. Голицын Г.С. Введение в динамику планетных атмосфер. Л.: Гидрометеоиздат, 1973.104 с.

50. Голицын Г.С. Исследование конвекции с геофизическими приложениями и аналогиями. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 56 с.

51. Голицын Г.С. Природные процессы и явления: волны, планеты, конвекция, климат, статистика. Москва: Физматлит, 2004. 344 с.

52. Голицын Г.С., Грачев А.А. Скорости и тепломассообмен при конвекции в двухкомпонентной среде // ДАН СССР, 1980. Т. 255. №3. С. 548 - 552.

53. Jones Ian S. F. and Yoshiaki Toba. Wind stress over the ocean. Cambridge University Press. 2001. 307 pp. ISBN 0 521 66243 5

54. Michalakes, J., J. Dudhia, D. Gill, T. Henderson, J. Klemp, W. Skamarock, and W. Wang, 2004: «The Weather Reseach and Forecast Model: Software Architecture and Performance,»to appear in proceedings of the 11th ECMWF Workshop on the Use of High Performance Computing In Meteorology, 25-29 October 2004, Reading U.K. Ed. George Mozdzynski.

55. Cassano, John J., Matthew E. Higgins, Mark W. Seefeldt, 2011: Performance of the Weather Research and Forecasting Model for Month-Long Pan-Arctic Simulations. Mon. Wea. Rev., 139, 3469-3488.

56. Ilasselmann s, К Hasselmann, РАЕМ Janssen, E Bauer, G J Komen, L Bertotti, P Lionello, A Guillaume, V С Cardone, J A Greenwood, et al, 1988: «The WAM model - A third generation ocean wave prediction model», Journal of Physical Oceanography, vol 18, pp 1775-1810

57. Tolman, II. L., 2001: Improving propagation in ocean wave models. Ocean Wave Measurement and Analysis, San Francisco, CA, B. L. Edge and J. M. Hemsley, Eds., ASCE, 507-516.

58. 58: Wave Modeling—Missing the Peaks. J. Phys. Oceanogr., 39, 2757-2778

59. Adler Robert F. , Estimating the benefit of TRMM tropical cyclone data in saving lives, American Meteorological Society, 15th Conference on Applied Climatology, Savannah, GA, 20-24 June 2005

60. Ahn, Joan Von. , Joe Sienkiewiez, Greggory McFadden, Hurricane Force Extratropical Cyclones Observed Using QuikSCAT Near Real Time Winds, Marines Weather Log, Vol. 49, No. 1,2005

61. Reed R. J., Y.-H. Kuo, M. D. Albright, et al., «Analysis and Modeling of a Tropical-Like Cyclone in the Mediterranean Sea», Meteorol. Atmos. Phys. V. 76, P. 183 - 202 (2001).

62. Пичугин M.K., Митник JI.M. Холодные вторжения над Беринговым морем: спутниковый мультисенсорный анализ // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2009. Т. 6. № 2. С. 172-179.

63. Kolstad E.W., Bracegirdle A., Thomas J., Marine cold-air outbreaks in the future: an assessment of IPCC AR4 model results for the Northern Hemisphere , Climate Dynamics, V 30, N 7-8, P 871-885, R 10.1007/s00382-007-0331-0,2008

64. Rasmussen E. and J. Turner, «Polar Lows. Mesoscale Weather Systems in the Polar Regions», (Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2003).

65. Fairall C.W., Bradley E.F., Hare J.E., Grachev A.A., Edson J.B. (2003) Bulk parameterization of air-sea fluxes: updates and verification for the COARE algorithm . J. Climate,, Vol.16, No 4, p.571-591.

66. Ocampo-Torres, F. J., Donelan, M. A., Merzi, N., and Jia, F.: Laboratory measurements of mass transfer of carbon dioxide and water vapour for smooth and rough flow conditions, Tellus, 46B, 16-32, 1994.

67. Brut, A., Butet, A., Durand, P., Caniaux, G., and Planton, S.: Airsea exchanges in the equatorial area from the QUALANT99 dataset: Bulk parametrizations of turbulent fluxes corrected for airflow distortion, Q. J. Roy. Meteor. Soc., 131,2497-2538,2005.

68. Donnely W. J., Carswell J. R., Mcintosh R. E. Revised ocean backscatter model at С and Ku band under high-wind conditions. (1999) J. Geophys. Res., v. 104, No C5, p.l 1485-11497.

69. Smith, S. S. D., Fairall, C. W., Geernaert, G. L., and Hasse, L.: Air-sea fluxes - 25 years of progress, Bound.-Lay. Meteorol., 78, 247-290, 1996.

70. Weil, A., Eymard, L., Caniaux, G., Hauser, D., Planton, S., Dupius, H., Brut, A., Guerin, C., Nacas, P., Butet, A., Cloche, S., Pedreoros, R., Durand, P., Bourras, D., Giordani, H., Lachaud, G., and Bouhours G.: Toward a better determination of turbulent air-sea fluxes from several experiments, J. Climate, 16, 600-618, 2003.

71. Janssen P.A.E.M. (1991) Quasi-linear theory of wind wave generation applied to wave forecasting J. Phys. Oceanogr.,, v.21,No 11, p. 1631-1642.

72. Janssen, P. A. E. M.: Effect of surface gravity waves on heat flux, ECMWF, Tech. Rep., 1-13,1997.

73. Makin, V. K. and Kudryavtsev, V. N.: Coupled sea surfaeeatmosphere model. Part 1. Wind over waves coupling, J. Geophys. Res., 104,7613-7623,1999.

74. Makin V. K., Kudryavtsev V. N., Mastenbroek C. (1995) Drag of the sea surface. Boundary-Layer Meteorol., Vol.79, p. 159-182.

75. Makin V. K. (2005) A note on drag of the sea surface at hurricane winds. Boundary Layer Meteorol.,, Vol. 115, No 1, p. 169-176.

76. Reutov, V. P. and Troitskaya, Yu. I.: Nonlinear effects due to water wave interactions with a turbulent wind, Izv. Atmos. Ocean. Phy., 31, 792-801, 1996.

77. Jenkins, A. D. (1992), Quasi-linear eddy-viscosity model for the flux of energy and momentum to wind waves using conservation-law equations in a curvilinear coordinate system, J. Phys. Oceanogr., 22(8), 843-858, doi: 10.1175/1520-0485(1992)022<0843: AQLEVM>2,O.CO;2.

78. Sullivan, P. P., McWilliams, J. C., and Moeng, C.-H.: Simulation of turbulent flow over idealized water waves, J. Fluid Mech., 404,47-85,2000.

79. Sullivan, P. P., Edson, J., Ilristov, T., and McWilliams, J. C.: Largeeddy simulations and observations of atmospheric marine boundary layers above nonequilibrium surface waves, J. Atmos. Sci., 65, 1225-1245, 2008.

80. Yang, D., and L. Shen (2010), Direct-simulation-based study of turbulent flow over various waving boundaries, J. Fluid Mech., 650, 131-180, doi: 10.1017/S0022112009993557.

81. Druzhinin, O. A., Troitskaya, Y. I., and Zilitinkevich, S.S.: Direct numerical simulation of a turbulent wind over a wavy water surface, J. Geophys. Res., 117, C00J05, doi: 10.1029/2011JC007789, 2012.

82. Hsu, C.T. On the structure of turbulent flow over a progressive water wave: theory and experiment in a transformed, wave-following co-ordinate system / C.T. Hsu, E.Y. Hsu, R.L. Street//J. Fluid Mech. -1981. -Vol. 105. -P. 87-117.

83. Hsu, C.T. On the structure of turbulent flow over a progressive water wave: theory and experiment in a transformed wave-following coordinate system. Part 2 / C.T. Hsu, E.Y. Hsu//J. Fluid Mech. -1983 -Vol. 131. -P. 123-153.

84. Semedo, A., Saetra, 0., Rutgersson, A., Kahma, K. K., and Pettersson, H.: Wave-Induced Wind in the Marine Boundary Layer, J. Atmos. Sci., 66, 2256-2271, 2009.

85. Liu, W. T., Katsaros, K. B., and Businger, J. A.: Bulk parameterization of air-sea exchanges of heat and water vapor including the molecular constraints at the interface, J. Atmos. Sci., 36, 1722-1735, 1979.

86. Businger, J. A.,Wyngaard, J. C., Izumi, Y., and Bradley, E. F.: Fluxprofile relationships in the atmospheric surface layer, J. Atmos. Sci., 28, 181-189,1971.

87. Zeng, X., Zhao, M., and Dickinson, R. E.: Comparison of bulk aerodynamic algorithms for the computation of sea surface fluxes using the TOGA COARE and TAO data, J. Climate, 11,2628-2644,1998.

88. Garratt J.R. (1977) Review of drag coefficients over oceans and continents. Mon. Weather Rev.,, Vol. 105, No7, p.915-929.

89. Large W.G., Pond S. (1981) Open ocean momentum flux measurements in moderate to strong winds. J. Phys. Oceanogr.,, Vol. 11, No 1, p.324-336.

90. Taylor, Peter K., Margaret J. Yelland, 2001: The Dependence of Sea Surface Roughness on the Height and Steepness of the Waves. J. Phys. Oceanogr., 31, 572-590. doi: 10.1175/1520-0485(2001)031

91. Janssen P.A.E.M. (1989) Wave-induced stress and the drag of air flow over sea waves. J. Phys. Oceanogr.,, v. 19, No 6, p.745-754.

92. Hara T., Belcher S.E. (2004) Wind profile and drag coefficient over mature ocean surface wave spectra . J. Phys. Oceanogr, Vol.34, No 11, p. 2345-2358.

93. Charnock, H., 1955: Wind stress on a water surface. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 81, p. 639

94. Smith, S.D., 1980: Wind stress and heat flux over the ocean in gale force winds. J. Phys. Oceanogr., 10, 709-726.

95. Anctil, F., and M. A. Donelan, 1996: Air-water momentum flux observations over shoaling waves. J. Phys. Oceanogr., 26,1344-1353.

96. Emanuel K.A., Downscaling CMIP5 climate models shows increased tropical cyclone activity over the 21st century PNAS 2013 ; doi:10.1073/pnas.l301293110,2013.

97. Emanuel, K.A. (1986) An air-sea interaction theory for tropical cyclones. Part I: Steady state maintenance. J. Atmos. Sci., Vol. 43, No 6, p. 585-604.

98. Dunnavan G., Diercks, J., «An Analysis of Super Typhoon Tip (October 1979)». Monthly Weather Review 108 (11): 1915-1923. doi:10.1175/1520-0493(1980) 108<1915: AAOSTT>2.0.CO;2, 1980.

99. Powell, M.D., Vickery P.J., Reinhold T.A. Reduced drag coefficient for high wind speeds in tropical cyclones //Nature, 2003, v.422, p.279-283.

100. Barenblatt G. I. and Golitsyn G. S. (1974) Local structure of mature dust storms J. Atmos. Sci.,, Vol.31, No 7, p. 1917- 1933.

101

102

103

104

105

106

107

108,

109,

110,

111,

112.

ИЗ,

114.

115.

Donelan, M.A. Wave follower field measurements of the wind input spectral function. Part II: Parameterization of the Wind Input / M.A. Donelan, A.V. Babanin, I.R. Young, M.L. Banner, C. McCormick//J. Phys. Oceanogr., -2006. -Vol. 36. -P. 1672-1689. Tsimplis, M., Thorpe S. A. (1975): Wave damping by rain. Nature, Vol.342, p. 893-895. Анисимова Е.П., Сперанская A.A., Лихачёва O.H. Деформация профиля скорости ветра над развивающейся ветровой волной. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана, т. 12, N 7, 1976, с. 748-751.

Donelan, M.A. Wave follower field measurements of the wind input spectral function. Part I: Measurements and calibrations / M.A. Donelan, A.V. Babanin, I.R. Young, M.L. Banner, C. McCormick // J. Atmos. Oceanic Technol. -2005. -Vol. 22. -P. 799-813. Kawai, S. Structure of air flow separation over wind wave crest / S. Kawai // Boundary Layer Meteorol. -1982. -Vol. 23. -P. 503-521.

Kawai, S. Visualisation of air flow separation over wind wave crest under moderate

wind/ S. Kawai // Boundary Layer Meteorol. -1981. -Vol. 21. -P. 93-104.

Kawamura, H. Ordered motion in turbulent boundary layer over wind waves / H.

Kawamura, Y. Toba // J. Fluid Mech. -1988. -Vol. 197. -P. 105-138.

Adrian R.J. Particle Imaging techniques for experimental fluid mechanics // Annu. Rev.

Fluid Mech., 1991, V. 23, p. 261-304.

Reul, N. Air flow structure over short-gravity breaking water waves / N. Reul, H. Branger, J.-P. Giovanangeli // Boundary-Layer Meteorol. -2008. -Vol. 126. -P. 477-505. Misra SK, Thomas M, Kambhamettu C, Kirby JT, Veron F, Brocchini M (2006) Estimation of complex air-water interfaces from particle image velocimetry images. Exp Fluids 40:764-775

Miles, J. W. On the generation of surface waves by shear flows. Part 2, J. Fluid Mech., 6, 568-582, 1959.

Phillips O.M. The Dynamics of the Upper Ocean. Cambridge Univ. Press. 2-nd ed., 1977. Troitskaya Yu.I., E. V. Ezhova, and S. S. Zilitinkevich (2013a). Momentum and buoyancy exchange in a turbulent air boundary layer over a wavy water surface. Part 1. Harmonic wave //Nonlinear. Geoph. Processes, Vol. 20, 825-839, 2013. Troitskaya Yu.I., D.A.Sergeev, M.I. Vdovin, A.A. Kandaurov, E.V.Ezhova, S.S.Zilitinkevich (2013b) Momentum and buoyancy exchange in a turbulent air boundary layer over a wavy water surface. Part 2. Wind wave spectra // Nonlinear. Geoph. Processes, Vol. 20, 841-856, 2013.

Troitskaya Yu. I. , D.A. Sergeev, A.A. Kandaurov, G.A Baidakov, M.A. Vdovin, V.I. Kazakov Laboratory and theoretical modeling of air-sea momentum transfer under severe

116

117

118

119,

120,

121,

122,

123,

124.

125.

126.

127.

128.

129.

wind conditions // JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 117, C00J21, 13 PP., 2012 doi:10.1029/2011JC007778.

Пэнкхерст P., Холдер Д. Техника эксперимента в аэродинамических трубах: пер. с англ. - М.: Иностранная литература, 1955. - 657 с.

Clauser F. The turbulent boundary layer.// Advances in Appl. Mech., 1956, 1-51. Hinze, J. O. Turbulence: An Introduction to its Mechanism and Theory / New York: McGraw-Hill. 1959. P.586.

Donelan M.A., Drennan W.M., Magnusson A.K. Nonstationary Analysis of the Directional Properties of Propagating Waves // Journal of Physical Oceanography, vol. 26, 1996. P.1901-1914.

Elfouhaily, Т. В., В. Chapron, К. Katsaros, and D. Vandemark (1997), A unified directional spectrum for long and short wind-driven waves, J. Geophys. Res., 107, 15,781-15,796, doi: 10.1029/97JC00467.

Smolyakov, A. V.: Quadrupole radiation spectrum of plane turbulent boundary layer, Sov. Phys. Acoust., 19,271-276, 1973.

Miles, J. (1996), Surface-wave generation: A visco-elastic model, J. Fluid Mech., 322, 131-145, doi:10.1017/S002211209600273X.

Rodi, W. (1980), Models for environmental turbulence, in Prediction Methods for Turbulent Flows, edited by W. Kollmann, pp. 227-322, Hemisphere Publ., Washington, D. C.

Belcher, S. E., J. A. Harris, and R. L. Street (1994), Linear dynamics of wind waves in coupled turbulent air-water flow. Part 1. Theory, J. Fluid Mech., 271, 119-151, doi: 10.1017/S0022112094001710.

Plant, W. J. (1982), A relationship between wind stress and wave slope, J. Geophys. Res., 87, 1961-1967, doi: 10.1029/JC087iC03p01961.

Reutov, V. P., and Y. I. Troitskaya (1995), On the nonlinear effects in the interaction of gravity waves with turbulent airflow, Izv. Russ. Acad. Sci. Atmos. Oceanic Phys., 31(6), 825-834.

Duncan J.H., Qiao H., Philomin V., Wenz A. Gentle spilling breakers: crest profile evolution // J. Fluid Mech. 1999. V. 379. p. 191 - 222.

Jahne, В., M. Schmidt, and R. Rocholz (2005), Combined optical slope/height measurements of short wind waves: Principles and calibration, Meas. Sci. Technol., 16, 1937-1944, doi: 10.1088/0957-0233/16/10/008.

Rocholz, R., and B. Jahne (2010), Spatio-temporal measurements of short wind water waves, Geophys. Res. Abstr., 12, EGU2010-5509.

130

131.

132

133,

134,

135,

136,

137,

138,

139.

140.

141.

142.

143.

Mukto, M.A., Atmane, M.A., Loevven, M.R., 2007. A particle-image based wave profile measurement technique. Exp. Fluids, 42,131-142.

Caulliez, G., and C.-A. Guerin (2012), Higher-order statistical analysis of short wind

wave fields, J. Geophys. Res., 117, C06002, doi: 10.1029/2011JC007854

Ван Дайк .Альбом течений жидкости и газа М.: Мир. 1986. 183 с.

Rapp R.J., Melville W.K. Laboratory measurements of deep-water breaking waves //

Phil. Trans. R. Soc. Lond. 1990. V. A311. p. 735 - 800.

Mironov, A. S., M. V. Yurovskaya, V. A. Dulov, D. Hauser, and C. A. Guerin (2012), Statistical characterization of short wind waves from stereo images of the sea surface, J. Geophys. Res., 117, C00J35, doi:10.1029/2011JC007860.

Yurovskaya, M. V., V. A. Dulov, B. Chapron, and V. N. Kudryavtsev (2013), Directional short wind wave spectra derived from the sea surface photography, J. Geophys. Res. Oceans, 118, doi:10.1002/jgrc.20296.

Savelyev, Ivan В.; Haus, Brian K.; Donelan, Mark A. Experimental Study on Wind-Wave Momentum Flux in Strongly Forced Conditions//Journal of Physical Oceanography 2011, vol. 41, issue 7, pp. 1328-1344, DOI: 10.1175/2011JP04577.1 Hassan YA, Okamoto K, Philip OG (1996) Investigation of the interaction between a fluid flow and the fluid's free surface using particle image velocimetry. In: 9th International symposium on transport phenomena in thermal-fluids engineering ISTP, vol 9, pp 566-574

Okamoto K, Philip OG, Hassan YA (1996) Study on the interaction between free surface and flow using PIV. In: Chen C, Shih C, Lienau J, Kung RJ (eds) Flow modeling and turbulence measurements VI. Balkema, Rotterdam, pp 185-192

Peirson WL (1997) Measurement of surface velocities and shears at a wave air-water

interface using particle image velocimetry. Exp Fluids 23:427—437

Law CNS, Khoo ВС, Chen TC (1999) Turbulence structure in the immediate vicinity of

the shear-free air-water interface induced by a deeply submerged jet. Exp Fluids 27:321—

331

Lin HJ, Perlin M (1998) Improved methods for thin, surface boundary layer investigations. Exp Fluids 25:431-444

Hirsa AH, Vogel MJ, Gayton JD (2001) Digital particle velocimetry technique for free-surface boundary layer measurements: application to vortex pair interactions. Exp Fluids 31:127-139

Dabiri D, Gharib M (1997) Experimental investigation of vorticity generation within a spilling water wave. J Fluid Mech 330:113-129

144. Кандауров А.А., Сергеев Д.А., Троицкая Ю.И. Измерение характеристик поверхностного волнения методами цифровой визуализации в рамках лабораторного моделирования взаимодействия атмосферы и океана \\ Оптические методы исследования потоков: XI Межд. науч-технич. конференция [Электронный ресурс]: труды конференции. - Электрон, дан - М.:МЭИ(ТУ),2011. - 1 электрон опт. диск (CD-ROM). - Доклад №90. - ISBN 978-5-9902974-1-8 - № гос. регистрации 0321101669.

145. Canny, J. A. Computational approach to edge detection // IEEE Trans. Pattern Analysis and Machine Intelligence. 1986.V. 8(6). P. 679-698.

146. Бондур В.Г., Гребенюк Ю.В., Ежова Е.В., Казаков В.И., Сергеев Д.А., Соустова И.А., Троицкая Ю.И., Поверхностные проявления внутренних волн, излучаемых заглубленной плавучей струей. Часть 1. Механизм генерации внутренних волн// Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2009. Т. 45.№ 6. С. 833-845.

147. Bondur V., Keeler R., Gibson С. Optical satellite imagery detection of internal wave effects from a submerged turbulent outfall in the stratified ocean // GRL, 2005, 32, LI2610, doi: 10.1029/2005GL022390.

148. Koh C.Y. , Brooks H.N. Fluid mechanics of waste-water disposal in the ocea// Annu .Rev. Fluid Mech., 1975, v.8, p. 187-211.

149. Ежова E.B., Сергеев Д.А., Кандауров А.А., Троицкая Ю.И. "Нестационарная динамика турбулентных осесимметричных струй в стратифицированной жидкости. Часть 1. Экспериментальное исследование", Известия РАН. ФАО том 48, № 3, С. 86-99,2012 г.

150. Бондур В.Г., Гребенюк Ю.В., Дистанционная индикация антропогенных воздействий на морскую среду, вызванных заглубленными стоками: моделирование, эксперимент // Исследование Земли из космоса, 2001, №6, с.1-19.

151. Кандауров А. А., Ю. И. Троицкая, Д. А. Сергеев, М. И. Вдовин, Г. А. Байдаков. Среднее поле скорости воздушного потока над поверхностью воды при лабораторном моделировании штормовых и ураганных условий в океане. Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2014, том 50, № 4, с. 1-13

152. Bolinder J., On the accuracy of a digital particle image velocimetry system, Technical report ISSN 0282 - 1990, ISRN LUTMDN/TMVK - 3186 - SE, June 1999

Список публикаций автора по теме диссертации

1. Troitskaya Yu. I., D.A. Sergeev, A.A. Kandaurov, G.A Baidakov, M.A. Vdovin, V.I. Kazakov Laboratory and theoretical modeling of air-sea momentum transfer under severe wind conditions // JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 117, C00J21, 13 PP., 2012 doi: 10.1029/2011JC007778.

2. Troitskaya Yu.I., D.A.Sergeev, A.A.Kandaurov, M.I. Vdovin, E.V.Ezhova, S.S.Zilitinkevich Momentum and buoyancy exchange in a turbulent air boundary layer over a wavy water surface. Part 2. Wind wave spectra // Nonlinear. Geoph. Processes, Vol. 20, 841-856, 2013.

3. Ежова E.B., Сергеев Д.А., Кандауров А.А., Троицкая Ю.И. "Нестационарная динамика турбулентных осесимметричных струй в стратифицированной жидкости. Часть 1. Экспериментальное исследование", Известия РАН. ФАО том 48, № 3, С. 8699, 2012 г.

4. Кандауров А. А., 10. И. Троицкая, Д. А. Сергеев, М. И. Вдовин, Г. А. Байдаков. Среднее поле скорости воздушного потока над поверхностью воды при лабораторном моделировании штормовых и ураганных условий в океане. Известия PAFI. Физика атмосферы и океана, 2014, том 50, № 4, с. 1-13

5. Troitskaya Yuliya, Daniil Sergeev, Alexander Kandaurov and Vasilii Kazakov. Air-sea interaction under hurricane wind conditions in "Recent Hurricane Research - Climate, Dynamics, and Societal Impacts" ISBN 978-953-307-238-8 Book edited by: Prof. Anthony Lupo 2011.

6. Bondur Valery, Yurii Grebenyuk, Ekaterina Ezhova, Alexander Kandaurov, Daniil Sergeev, Yuliya Troitskaya. Applying of PIV/PTV methods for physical modeling of the turbulent buoyant jets in a stratified fluid."Particle Image Velocimetry" ISBN 979-953307-408-4 Book edited by: Giovanna Cavazzini, InTech 2011, p. 345-366

7. Ezhova E., Kandaurov A., Kazakov V., Sergeev D. and Troitskaya Yu. The investigation of internal waves excitation by turbulent buoyant jets// Proceedings of EGU General Assembly, V.12, EGU2010-394.

8. Troitskaya Yu., D. Sergeev, O. Druzhinin, A.Kandaurov, and O. Ermakova Laboratory investigation and direct numerical simulation of wind effect on steep surface waves//, EGU-2011, Vienna, 03-08 April 2011

9. Кандауров A.A., Сергеев Д.А., Троицкая Ю.И. Измерение характеристик поверхностного волнения методами цифровой визуализации в рамках лабораторного моделирования взаимодействия атмосферы и океана \\ Оптические методы

исследования потоков: XI Межд. науч-технич. конференция [Электронный ресурс]: труды конференции. - Электрон, дан - М.:МЭИ(ТУ),2011. - 1 электрон опт. диск (CD-ROM). - Доклад №90. - ISBN 978-5-9902974-1-8 - № гос. регистрации 0321101669.

10. Sergeev D., Y. Troitskaya, A. Kandaurov Laboratory modeling of air-sea interaction with modern visualization technique // Abstracts of 13th EMS Annual Metting, Reding, UK, 2103, EMS2013-35.

11. Troitskaya Yu., D. Sergeev, A. Ermoshkin, A. Kandaurov, E. Ezhova Small-scale atmosphere-ocean coupling in gale-force winds: models, experiments, remote sensing. // Abstracts of 13th EMS Annual Metting, Reding, UK, 2013, EMS2013-366.

12. Troitskaya Yuliya, Alexander Kandaurov, Daniil Sergeev, and Olga Ermakova Investigations of the air flow velocity field structure above the wavy surface under severe wind conditions by particle image velocimetry technique. // Abstracts of EGU General Assembly 2013. Vienna, Austrian, 2013. Vol. 15. EGU2013-11513-1.

13. Troitskaya Yu. I., Sergeev D.A., Kandaurov A.A., Vdovin M.I., Baidakov G.A. Laboratory modeling of air-sea momentum transfer under severe wind conditions // Тезисы докладов 4-ой научная международная школа молодых ученых «Волны и вихри в сложных средах»: Москва, 2013

14. Troitskaya Yu.I., D.A.Sergeev, Oleg Druzhinin, A.A.Kandaurov, O.S.Ermakova, E.V.Ezhova, S.S.Zilitinkevich Atmospheric boundary layer over steep surface waves // Proceedings of the V International Conference Frontiers in Nonlinear Physics 2013, Nizhny Novgorod 2013. 199-200.

15. Sergeev D.A., Yu.I.Troitskaya, A.A.Kandaurov, G.A.Baidakov, M.I.Vdovin Laboratory investigations of the air flow velocity field structure above the wavy surface under severe wind conditions by digital visualization technique // Proceedings of the V International Conference Frontiers in Nonlinear Physics 2013, Nizhny Novgorod 2013.195-196.

16. Вдовин М.И., В.И. Казаков, А.А. Кандауров, Д.А. Сергеев, Ю.И. Троицкая, Лабораторное моделирование ветро-волнового взаимодействия при экстремальных метеоусловиях // Ф 80 Форум молодых учёных. Тезисы докладов. Том 1. - Нижний Новгород: Изд-во ИНГУ им. Н.И. Лобачевского, 2013. - 317 с.

17. Кандауров А.А., Д.А. Сергеев, Ю.И. Троицкая, Бесконтактное определение формы поверхности жидкости методом цифровой визуализации при лабораторном моделировании ветро-волнового взаимодействия // Ф 80 Форум молодых учёных. Тезисы докладов. Том 1. - Нижний Новгород: Изд-во ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2013.-317с.

18. Kandaurov Alexander, Yuliya Troitskaya, Guillemette Caulliez, Daniil Sergeev, Maxim Vdovin, High speed video shooting with continuous-wave laser illumination in laboratory modeling of wind - wave interaction // Geophysical Research Abstracts Vol. 16, EGU2014-7680,2014 EGU General Assembly 2014

19. Ежова E.B., Кандауров А.А., Сергеев Д.А., Троицкая Ю.И. «Генерация внутренних волн плавучей турбулентной струей»// Тезисы докладов конференции молодых ученых «Нелинейные волновые процессы» (XV научная школа «Нелинейные волны-2010»). С.34-35.

20. Ezhova E.V., D.A. Sergeev, A.A. Kandaurov, Yu.I. Troitskaya Nonstationary dynamics of a turbulent round jet in stratified fluid/ В Сб. тезисов докладов Международной научной школы молодых ученых и специалистов "Механика неоднородных жидкостей в полях внешних сил. Вихри и волны". Москва, 25 июня - 1 июля 2011. С.14-15.

21. Troitskaya Yu.I., D.A. Sergeev, A.A. Kandaurov Laboratory modeling of wind - surface wave interaction under severe conditions/ В Сб. тезисов докладов Международной научной школы молодых ученых и специалистов "Механика неоднородных жидкостей в полях внешних сил. Вихри и волны". Москва, 25 июня - 1 июля 2011. С.49-51.

22. Кандауров А.А., Сергеев Д.А., «Измерительный комплекс для исследования течений жидкости и газа методом Particle Image Velocimetry», XVI Нижегородской сессии молодых ученых (Технические науки) 2011 г.

23. Кандауров А.А., Сергеев Д.А., Троицкая Ю.И. «Исследование аэродинамического сопротивления поверхности воды при экстремальных ветрах», XVI Нижегородской сессии молодых ученых (Естественные науки) 2011 г.

24. Ежова Е.В., А.А. Кандауров, Д.А. Сергеев, Ю.И. Троицкая. «Применение методов цифровой визуализации для изучения струйных течений в стратифицированной жидкости». Научная студенческая конференция «ВШОПФ'2009», Нижний Новгород, ИПФ РАН, 28-29 мая 2009

25. Троицкая Ю.И., Д.А. Сергеев, О.А. Дружинин, В.И. Казаков, О.С. Ермакова, А.А. Кандауров. Лабораторное и численное моделирование взаимодействия нелинейных поверхностных волн с ветром//, 2 международный семинар «Проблемы взаимодействия атмосферы и гидросферы», Нижний Новгород, 24-25 март 2011.

26. Кандауров А.А., Сергеев Д.А., Троицкая Ю.И., Ежова Е.В. "Экспериментальное исследование взаимодействия ветра и волн на воде", 13 международный научно-

промышленный форум "Великие реки. Экологическая/ гидрометеорологическая, энергетическая безопасность". Нижний Новгород, 17-20 мая 2011 г.

27. Троицкая Ю.И., Казаков В.И., Сергеев Д.А., Богатов Н.А, Кандауров А.А. Моделирование механизмов взаимодействия атмосферы и океана при экстремальных гидрометеоусловиях // Первая Всероссийская конференция по прикладной океанографии. 24-27 октября 2010. Москва. ГОИН.

28. Ezhova E.Y., D.A. Sergeev, А.А. Kandaurov, Yu.I. Troitskaya The excitation of internal waves by a submerged turbulent round jet// 5th European Postgraduate Fluid Dynamics Conference, Goettingen, 8-12 August 2012

29. Troitskaya Yu.I., Sergeev D.A., Kandaurov A.A. Laborotory investigation of the wind wave surface spectra for smooth and steep waves. Волны в жидкостях: эффекты нелинейности, вращения, стратификации и диссипации: Симпозиум IUTAM 12-3; 18-22 июня 2012 г., Москва: Сборник тезисов. - М.: МАКС Пресс, 2012. - 180 с. (на англ. яз.) ISBN 978-5-317-0417-6, 161 с.

30. Sergeev D.A., Troitskaya Yu.I., Kandaurov A.A. Modeling of air sea interaction under hurricane conditions. Волны в жидкостях: эффекты нелинейности, вращения, стратификации и диссипации: Симпозиум IUTAM 12-3; 18-22 июня 2012 г., Москва: Сборник тезисов. - М.: МАКС Пресс, 2012. - 180 с. (на англ. яз.) ISBN 978-5-3170417-6, 145 с.

31. Sergeev D.A., Yu. I. Troitskaya A.A. Kandaurov, G.A. Baidakov, M.I. Vdovin, V.V. Kazakov Investigation of air-sea momentum transfer under hurricane wind conditions within laboratory modeling// Abstracts of 12th EMS Annual Metting, Lodz, EMS2012-400.